JP5271858B2 - メカニカルシール及び液体ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、メカニカルシール及び液体ポンプに関するものである。

従来、メカニカルシールとして種々のものが提案されている（例えば特許文献１、２など）。図４は、特許文献１のメカニカルシールを示す断面図である。同図に示すように、ウォータポンプの筐体をなすウォータポンプハウジング４０には、図示しないベアリングを介してシャフト４１が支承され、ポンプ室４２からベアリング室４３への水浸入防止のため、ウォータポンプハウジング４０とシャフト４１との間にメカニカルシール４４が配設されている。シャフト４１にはスリーブ４５が嵌着され、このスリーブ４５の外周上にカップガスケット４６を介して回転環であるメイティングリング４７を設ける。メイティングリング４７には固定環であるシールリング４８を摺設させ、このシールリング４８をウォータポンプハウジング４０に固定されたケーシング４９にべローズ状のパッキン５０を介して装着する。パッキン５０両端の外周鍔部５１，５２間に断面Ｌ字形に屈曲形成された一対のリテーナ５３，５４を介してスプリング５５を弾装し、このスプリング５５によってシールリング４８をメイティングリング４７に押さえつける。

従って、スリーブ４５、カップガスケット４６及びメイティングリング４７はシャフト４１と共に一体回転する。このような構成にあって、カップガスケット４６は、内周面４６ａをシール面とするその外周側で液側となるポンプ室４２に開放されており、メイティングリング４７は、シールリング４８との摺接面をシール面とするその外周側で同じくポンプ室４２に開放されている。同様に、シールリング４８は、メイティングリング４７との摺接面をシール面とするその外周側で液側となるポンプ室４２に開放されており、パッキン５０は、その外周側で同じくポンプ室４２に開放されている。一方、シールリング４８及びパッキン５０等は、その内周側で大気側となるベアリング室４３に開放されている。以上により、ポンプ室４２からベアリング室４３への液体の漏れが防止される態様で、シャフト４１の回転が許容されている。

特開平６−１１０４５号公報 特開２００６−５７７２５号公報

ところで、図４に示すように、外周側に満たされる高圧の液体によりベローズ状のパッキン５０が軸方向に液圧を受ける受圧部の最短の半径（以下、最内径という）をＲ４３、カップガスケット４６の内径（内周面４６ａの半径）をＲ４１、メイティングリング４７の内径をＲ４２で表すと、最内径Ｒ４３は内径Ｒ４１，Ｒ４２よりも大きく（Ｒ４３＞Ｒ４１、Ｒ４３＞Ｒ４２）設定されている。このため、例えば大気圧に比べて高圧な液圧によりカップガスケット４６及びメイティングリング４７が押圧される力は、最内径Ｒ４３及び内径Ｒ４１間の円環状の面積分だけ軸方向にパッキン５０側（固定部品側）に押圧される力が大きくなってしまう。そして、液圧による押圧力が構成部品間でこのような関係になると、カップガスケット４６が軸方向に固定部品側に移動して、メカニカルシールのシール機能が不安定になる可能性がある。

本発明の目的は、液圧による構成部品間の押圧力を好適に設定してシール機能を安定化することができるメカニカルシール及び液体ポンプを提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、ハウジングの内周上に液密的に保持される環状のケーシングと、前記ケーシングの内周側で前記ハウジングに回転自在に支持されるシャフトの外周上に液密的に保持される環状のスリーブと、前記ケーシングの外周上に保持され、外周側で液室に開放される環状のパッキンと、前記ケーシングの外周側で前記パッキンを介して保持され、外周側で前記液室に開放される環状のシールリングと、前記スリーブの外周上に装着され、前記シールリングの反対側である軸方向一側において内周面をシール面とし、外周側で前記液室に開放される環状のカップガスケットと、前記カップガスケットの外周上に液密的に装着され、軸方向他側で対向する前記シールリングとの摺接面をシール面とし、外周側で前記液室に開放される環状のメイティングリングと、前記パッキンの外周部に配設され、前記シールリングを前記メイティングリング側である軸方向一側に押圧する付勢手段とを備え、前記パッキン、前記シールリング及び前記メイティングリングのそれぞれの内周側で大気室に開放されるメカニカルシールにおいて、前記パッキンが軸方向に液圧を受ける受圧部の最短の半径である最内径が、前記メイティングリングの内径以下であることを要旨とする。

同構成によれば、前記パッキンの前記最内径が、前記メイティングリングの内径以下であることで、液圧により前記カップガスケット及びメイティングリングが軸方向にパッキン側（固定部品側）に余分に押圧される力は、最大であっても前記カップガスケットの内径及び前記メイティングリングの内径間の円環状の面積分の僅少なものとなり、前記付勢手段の付勢力によって吸収することができる。このように、軸方向への押圧力に係る液圧が、構成部品間（カップガスケット−パッキン間）で概ね相殺され、少なくとも前記付勢手段の付勢力の範囲で吸収されることで、前記カップガスケット及び前記メイティングリング等が軸方向に前記パッキン側（固定部品側）に移動することを抑制することができ、ひいては、メカニカルシールのシール機能をより安定化することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のメカニカルシールにおいて、前記パッキンの前記最内径が、前記カップガスケットの内径以下であることを要旨とする。
同構成によれば、前記パッキンの前記最内径が、前記カップガスケットの内径以下であることで、仮に前記付勢手段の付勢力が零であっても、軸方向への押圧力に係る液圧を構成部品間（カップガスケット−パッキン間）で相殺することができる。この場合、前記付勢手段の付勢力の制約が解消される分、設計の自由度を向上することができる。

なお、前記パッキンの前記最内径が、前記カップガスケットの内径よりも小さくなるとき、液圧により前記パッキンが押圧される力は、前記最内径及び前記カップガスケットの内径間の円環状の面積分だけ軸方向に前記カップガスケット側（回転部品側）に押圧される力が大きくなる。しかしながら、前記カップガスケットが装着される前記スリーブが堅固に形成されているため、前記カップガスケット及び前記メイティングリングの移動は規制され、メカニカルシールとしての機能を満足することができる。

請求項３に記載の発明は、駆動源の出力軸に駆動連結されたプーリを介して前記シャフトが回転駆動され、該シャフトに設けられたインペラを通じて前記駆動源の冷却水を循環させる液体ポンプにおいて、前記液室としてのポンプ室及び前記大気室を区画する請求項１又は２に記載のメカニカルシールを備えることを要旨とする。

同構成によれば、液圧による構成部品間の押圧力を好適に設定してシール機能を安定化することができるメカニカルシールを備えた液体ポンプを提供することができる。

本発明では液圧による構成部品間の押圧力を好適に設定してシール機能を安定化することができるメカニカルシール及び液体ポンプを提供することができる。

本発明が適用されるウォータポンプの構成図。 本発明の第１の実施形態を示す断面図。 本発明の第２の実施形態を示す断面図。 従来形態を示す断面図。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態について図面に従って説明する。
図１は、本発明が適用される液体ポンプとしてのウォータポンプ１０を示す断面図である。同図に示すように、ウォータポンプ１０の筐体をなす筒状のウォータポンプハウジング１１にはシャフト１２がベアリング１３を介して回転自在に支承されている。このシャフト１２の図示左端にはインペラ１４が固設され、図示右端には図示しないプーリが固設されて図示しない外部駆動源より駆動力を得ている。ウォータポンプハウジング１１とシャフト１２との間に配設されたメカニカルシール１５によって、ベアリング１３が位置する大気室としてのベアリング室１６とインペラ１４が位置する液室としてのポンプ室１７とが区画されている。ウォータポンプ１０は、インペラ１４の回転によりポンプ室１７に満たされる冷却水を吐出して外部駆動源を冷却する。

次に、メカニカルシール１５について図２に基づき更に説明する。同図に示すように、前記シャフト１２の外周上には、例えば金属板からなる環状のスリーブ２１が液密的に嵌着されている。このスリーブ２１は、ポンプ室１７側となる軸方向一側（図示左側）がテーパ２１ａを介して徐々に拡開されて環状の保持壁２１ｂに連続する。そして、保持壁２１ｂのシャフト１２に隣接する側の外周上には、内周面２２ａをシール面とする環状のカップガスケット２２が装着されている。このカップガスケット２２は、例えばゴムからなり、円筒状の筒部２２ｂ及び該筒部２２ｂの軸方向一側端に連続する外向きフランジ２２ｃを有して断面略Ｌ字形状を呈している。また、筒部２２ｂの外周上には、内周面２３ａをシール面とする円環状のメイティングリング２３が液密的に装着されている。このメイティングリング２３は、例えばセラミックスからなる。

一方、前記ウォータポンプハウジング１１の内周上には、メイティングリング２３の軸方向他側（図示右側）であり、且つ、スリーブ２１の外周側で、例えば金属板からなる環状のケーシング２５が固設されている。そして、ケーシング２５の外周上には、例えばゴムからなる環状のパッキン２６が保持されている。このパッキン２６は、軸方向中央部に内周側に絞られた縮径部２６ａを有してベローズ状（蛇腹状）に成形されており、軸方向両側端にそれぞれ連続する外周部としての一対の外周鍔部２７，２８を有する。また、ケーシング２５の外周側には、パッキン２６のメイティングリング２３側となる軸方向一側で、例えばカーボンからなる環状のシールリング２４がパッキン２６を介して保持されている。このシールリング２４の軸方向一側の先端面は、メイティングリング２３の摺接する摺接面２４ａを形成する。

パッキン２６の両外周鍔部２７，２８間には、円筒部及び外向きフランジを一体的に有する断面略Ｌ字形状の一対のリテーナ２９，３０を介して、付勢手段としてのスプリング３１が弾装されている。このスプリング３１は、その付勢力Ｆによってシールリング２４をメイティングリング２３に押さえ付けている。

このような構成のメカニカルシール１５において、カップガスケット２２は、スリーブ２１に対向する軸方向一側において、内周面２２ａをシール面とするその外周側でポンプ室１７に開放されており、メイティングリング２３は、内周面２３ａをシール面とするその外周側でポンプ室１７に開放されている。また、シールリング２４は、摺接面２４ａをシール面とするその外周側でポンプ室１７に開放されており、パッキン２６は、その外周側でポンプ室１７に開放されている。一方、カップガスケット２２、メイティングリング２３、シールリング２４及びパッキン２６の内周側はベアリング室１６に開放されている。

次に、上記のように構成されたメカニカルシール１５の作用を説明する。メカニカルシール１５は、ウォータポンプ１０作動時に、ポンプ室１７からベアリング室１６への冷却水浸入を防止している。すなわち、シャフト１２と共にメイティングリング２３は回転するが、スプリング３１によってシールリング２４はメイティングリング２３に押さえ付けられて摺接している。従って、メイティングリング２３とシールリング２４とは相対回転し、両者の摺接面によってポンプ室１７とベアリング室１６との間がシールされる。

ここで、本実施形態では、シャフト１２の回転軸Ｏを中心とするカップガスケット２２の内径をＲ１、回転軸Ｏを中心とするメイティングリング２３の内径をＲ２とすると、カップガスケット２２（筒部２２ｂ）の厚さ分（例えば１ｍｍ）だけメイティングリング２３の内径Ｒ２が大きく（Ｒ２＞Ｒ１）設定されている。また、パッキン２６がその外周側に満たされる冷却水により軸方向の水圧を受ける受圧部の最短の半径（即ち縮径部２６ａの外径）である最内径をＲ３とすると、最内径Ｒ３は、メイティングリング２３の内径Ｒ２以下（Ｒ３≦Ｒ２）に設定されている。つまり、最内径Ｒ３は、最大であってもカップガスケット２２の厚さ（１ｍｍ）分だけしかカップガスケット２２の内径Ｒ１よりも大きくならない。

従って、水圧によりカップガスケット２２が軸方向にパッキン２６側（固定部品側）に余分に押圧される力は、最大であってもカップガスケット２２の内径Ｒ１及びメイティングリング２３の内径Ｒ２間の内径差Ｒ４（１ｍｍ）の円環状の面積分の僅少なものとなり、スプリング３１の付勢力Ｆによって吸収されている。

なお、最内径Ｒ３がカップガスケット２２の内径Ｒ１よりも小さく設定された場合、メイティングリング２３及びカップガスケット２２が、水圧により内径Ｒ２及び最内径Ｒ３間の円環状の面積分だけ余分にシールリング２４を介して軸方向にパッキン２６の反対側に押圧される。しかしながら、これらメイティングリング２３及びカップガスケット２２は、金属板からなる高剛性のスリーブ２１（２１ｂ）に堅固に保持されているため、これによってメイティングリング２３等が軸方向に移動することはない。

以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）本実施形態では、パッキン２６の最内径Ｒ３が、メイティングリング２３の内径Ｒ２以下であることで、液圧によりカップガスケット２２が軸方向にパッキン２６側（固定部品側）に余分に押圧される力は、最大であってもカップガスケット２２の内径Ｒ１及びメイティングリング２３の内径Ｒ２間の円環状の面積分の僅少なものとなり、スプリング３１の付勢力によって吸収することができる。このように、軸方向への押圧力に係る液圧が、構成部品間（カップガスケット２２−パッキン２６間）で概ね相殺され、少なくともスプリング３１の付勢力Ｆの範囲で吸収されることで、カップガスケット２２及びメイティングリング２３が軸方向にパッキン２６側（固定部品側）に移動することを抑制することができ、ひいては、メカニカルシール１５のシール機能をより安定化することができる。

（２）本実施形態では、水圧による構成部品間（カップガスケット２２−パッキン２６間）の押圧力を好適に設定してシール機能を安定化することができるメカニカルシール１５を備えた液体ポンプを提供することができる。

（第２の実施形態）
以下、本発明を具体化した第２の実施形態について図面に従って説明する。なお、第２の実施形態は、カップガスケット２２の内径Ｒ１１とパッキン２６の最内径Ｒ１３との関係を変更したことが前記第１の実施形態とは異なる構成であるため、同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。

図３に示すように、本実施形態では、カップガスケット２２の内径Ｒ１１とパッキン２６の最内径Ｒ１３とが等しく（Ｒ１１＝Ｒ１３）なるように設定している。この場合、軸方向への押圧力に係る水圧が構成部品間（カップガスケット２２−パッキン２６間）で相殺されることになる。

以上詳述したように、本実施形態によれば、前記第１の実施形態にける（１）（２）の効果に加えて、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）本実施形態では、パッキン２６の最内径Ｒ１３が、カップガスケット２２の内径Ｒ１１に等しいことで、スプリング３１の付勢力Ｆが零のときに、軸方向への押圧力に係る水圧を構成部品間（カップガスケット２２−パッキン２６間）で相殺することができる。この場合、スプリング３１の付勢力Ｆの制約が解消される分、設計の自由度を向上することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・前記各実施形態において、メカニカルシール１５は、水（冷却水）以外に、例えば、オイル等、他の液体にも適用してもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）請求項１又は２に記載のメカニカルシールにおいて、
前記カップガスケット外周側が、前記メイティングリングの内周側と摺接していることを特徴とするメカニカルシール。

同構成によれば、前記カップガスケットの前記スリーブ及び前記メイティングリングとの摺接面に液体が侵入することで、前記カップガスケットの放熱性を向上させることができる。

（ロ）請求項３に記載の流体ポンプにおいて、
前記流体ポンプは、冷却水循環に適用されることを特徴とするウォータポンプであることを特徴とする。

同構成によれば、冷却水循環に適用することで、上記各実施形態の効果を最大限に生かすことができる。

Ｒ１，Ｒ２，Ｒ１１，Ｒ１２…内径、Ｒ３，Ｒ１３…最内径、１０…ウォータポンプ、１１…ハウジング、１２…シャフト、１５…メカニカルシール、１６…ベアリング室、１７…ポンプ室、２１…スリーブ、２２…カップガスケット、２３…メイティングリング、２４…シールリング、２５…ケーシング、２６…パッキン、３１…スプリング（付勢手段）。

Claims (3)

1. ハウジングの内周上に液密的に保持される環状のケーシングと、
   前記ケーシングの内周側で前記ハウジングに回転自在に支持されるシャフトの外周上に液密的に保持される環状のスリーブと、
   前記ケーシングの外周上に保持され、外周側で液室に開放される環状のパッキンと、
   前記ケーシングの外周側で前記パッキンを介して保持され、外周側で前記液室に開放される環状のシールリングと、
   前記スリーブの外周上に装着され、前記シールリングの反対側である軸方向一側において内周面をシール面とし、外周側で前記液室に開放される環状のカップガスケットと、
   前記カップガスケットの外周上に液密的に装着され、軸方向他側で対向する前記シールリングとの摺接面をシール面とし、外周側で前記液室に開放される環状のメイティングリングと、
   前記パッキンの外周部に配設され、前記シールリングを前記メイティングリング側である軸方向一側に押圧する付勢手段とを備え、前記パッキン、前記シールリング及び前記メイティングリングのそれぞれの内周側で大気室に開放されるメカニカルシールにおいて、
   前記パッキンが軸方向に液圧を受ける受圧部の最短の半径である最内径が、前記メイティングリングの内径以下であることを特徴とするメカニカルシール。
2. 請求項１に記載のメカニカルシールにおいて、
   前記パッキンの前記最内径が、前記カップガスケットの内径以下であることを特徴とするメカニカルシール。
3. 駆動源の出力軸に駆動連結されたプーリを介して前記シャフトが回転駆動され、該シャフトに設けられたインペラを通じて前記駆動源の冷却水を循環させる液体ポンプにおいて、
   前記液室としてのポンプ室及び前記大気室を区画する請求項１又は２に記載のメカニカルシールを備えることを特徴とする液体ポンプ。

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